Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Forschungsbericht Berichtszeitraum: 01.01.2001 - 31.12.2002

Fachbereich Ingenieurwissenschaften

Institut für Verfahrenstechnik

Forschungsschwerpunkte

Professur: Thermische Verfahrenstechnik

Professur: Mechanische Verfahrenstechnik

Die Forschungsarbeiten am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg konzentrieren sich auf die Bereiche Mehrphasenströmungen und Partikeltechnologie. Ausgehend von einer detaillierten Analyse der relevanten Mikroprozesse werden moderne Methoden entwickelt, die es erlauben, Prozesse der mechanischen Verfahrenstechnik auszulegen und zu optimieren. Die numerische Strömungsberechnung für mehrphasige Prozesse bildet dabei einen wichtigen Forschungsschwerpunkt. Derzeit sind drei Arbeitsgruppen am Lehrstuhl etabliert.

•	Mehrphasenströmungen, Gas-Feststoff-Systeme
•	Mehrphasenströmungen, Gas-Flüssig-Systeme
•	Schüttgutmechanik

Mehrphasenströmungen
In diesem Forschungsschwerpunkt werden Mikroprozesse, welche sich auf der Ebene der Partikel abspielen (wie z.B. Wechselwirkung der Partikel mit turbulenten Strömungen, Partikelstöße, Agglomeration, Blasenkoaleszenz und -zerfall sowie Tropfenkollisionen und -koaleszenz), sowohl mit Hilfe von experimentellen als auch numerischen Methoden analysiert, um eine entsprechende theoretische Beschreibung und Modellierung zu ermöglichen. Dabei sind sowohl direkte numerische Simulationen als auch moderne optische Meßverfahren wichtige Werkzeuge. Die Ergebnisse werden mit Hilfe entsprechender Modelle in numerische Verfahren der Strömungsberechnung implementiert. Diese Vorgehensweise soll es ermöglichen, ausgehend von der Beschreibung der Mikroprozesse, verfahrenstechnische Prozesse im Ganzen zu berechnen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt derzeit auf dispersen Mehrphasenströmungen, wie z.B. Fluid-Feststoff-Strömungen und Gas-Flüssig-Strömungen.

Fluid-Feststoff-Strömungen, Partikelabscheidung (Prof. Dr.-Ing. habil. M. Sommerfeld)
In dieser Arbeitsgruppe werden Gas-Feststoff-Strömungen betrachtet, wie sie zum Beispiel bei der pneumatischen Förderung oder der Partikelabscheidung vorliegen. So wird derzeit das Verhalten von nicht-sphärischen Partikeln bei der Bewegung in turbulenten Strömungen, als auch der Kollision mit festen Wänden experimentell und durch direkte numerische Simulation untersucht. Weiterhin wird das Bewegungsverhalten und die Strähnenbildung in Drallströmungen analysiert und modelliert, bzw. numerisch berechnet.
Die industrielle Gasreinigung und Partikelabscheidung ist aufgrund der ständigen Verschärfung der gesetzlichen Grenzwerte auch heute noch von sehr großer Bedeutung. Daher werden sowohl klassische Verfahren der Staubabscheidung optimiert, als auch neue Verfahren entwickelt. Insbesondere wird die Agglomeration genutzt, um ein Anwachsen der Partikelgröße zu erzielen und die Staubabscheidung zum Beispiel in Zyklonen zu verbessern. Weiterhin werden numerische Methoden hinsichtlich der Modellbildung erweitert, um Prozesse der Staubabscheidung zuverlässig vorausberechnen zu können. Ebenso werden derzeit Elektroabscheider und Naßabscheider untersucht, wobei hier die Wechselwirkung von Tropfen mit feinen Feststoffpartikeln eine große Rolle spielt.

Gas-Flüssig-Strömungen (Dr.-Ing. F. Schaub)
In diesem Arbeitsbereich werden Blasenströmungen und die Zerstäubung von Flüssigkeiten, als auch das Verhalten von Sprühnebeln betrachtet. Die Strömungen in Blasensäulen und Schlaufenreaktoren werden hinsichtlich der blaseninduzierten Turbulenz als auch der Kollision und Koaleszenz von Blasen untersucht. Dafür werden bildgebende Messverfahren entwickelt und angewendet. Diese Daten werden für die Validierung numerischer Berechnungen und der Modelle für blasen-induzierte Turbulenz und Blasenkoaleszenz genutzt. Weiterhin werden Modellansätze entwickelt, welche die Wechselwirkung zwischen Blasen und Partikeln in dreiphasigen Strömungen beschreiben und deren numerische Berechnung ermöglichen.
Zur universellen Beschreibung der Zerstäubung von Flüssigkeiten wird derzeit ein Zweifluid-Modell entwickelt, womit die Tropfengrößenverteilung vorhergesagt werden kann. Dieses Verfahren wird dann mit dem Euler/Lagrange-Verfahren gekoppelt, um die Ausbreitung des Sprühnebels berechnen zu können.
Schließlich wird der Lufteintrag beim Aquaplaning experimentell untersucht, um Modelle für numerische Berechnungen bereitzustellen. Hierfür wurde ein einzigartiger Rollenversuchstand entwickelt.

Schüttgutmechanik (Dr.-Ing. J. Runge)
Die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften von Schüttgütern ist eine unabdingbare Voraussetzung für die richtige Auslegung und den sicheren Betrieb von Prozessen der Schüttguthandhabung. Die Tätigkeit der Arbeitsgruppe erstreckt sich sowohl auf die Erforschung von Grundlagen der Schüttgut-mechanik als auch auf die Charakterisierung von Schüttgütern hinsichtlich ihres Verhaltens im technologischen Prozess, wie z.B. zur fließgerechten Gestaltung von Silos.
Auf dem Gebiet der Grundlagenforschung wurden und werden folgende Beiträge erbracht:

•	zur Zeitverfestigung von Schüttgütern
•	zur Verdichtung von Schüttgütern unter Einfluß von Schwingungen und Schocks
•	zur Modellierung von Partikelkontakten
•	und zum Fließverhalten von span- und schnitzelförmigen Schüttgütern.

Auf der Grundlage einer mehr als 20-jährigen Tätigkeit auf dem Gebiet der Schüttguttechnik liegen umfangreiche Erfahrungen zur Lösung praktischer Aufgabenstellungen vor, wie z.B.:

•	Charakterisierung der Fließeigenschaften
•	verfahrenstechnische Siloauslegung mit dem Ziel eines störungsfreien Schüttgutaustrages
•	Begutachtung von Siloprojekten hinsichtlich fließ-gerechter Gestaltung
•	Vorschläge zur Beseitigung von Fließstörungen an bestehenden Anlagen.

Der Arbeitsgruppe stehen modern ausgestattete Laborräume (siehe Schüttgutlabor) und ein Modellsilo (Durchmesser 1m) mit auswechselbaren Austraggeräten zur Verfügung.

Schüttgutlabor
Die Kernaufgabe des Schüttgutlabors besteht in der Ermittlung des Fließverhaltens von Schüttgütern. Dies erfordert besonders geschultes Personal und spezielle Gerätetechnik. Wichtig sind auch langjährige Erfahrungen in der Schüttgutmeßtechnik sowie bei der technologischen Umsetzung der Ergebnisse. Dies ist durch ein Know-how gewährleistet, das auf der umfassenden Charakterisierung von mehr als 500 Schüttgütern basiert.
Das Schüttgutlabor gliedert sich in folgende Bereiche:

Probenaufbereitung •  Rotationsprobenteiler •  Mischer •  Feuchtebestimmer •  Wirbelbett	Kraftmeßlabor •  Haftkraftmeßgerät •  Einaxialtester •  Zug- und Druckprüfmaschine
Scherlabor •  JENIKE -Schergeräte •  Zeitverfestigungsbank •  Ringscherzellen	Schwingprüflabor •  elektrodynamischer Shaker

Labor für Partikelmeßtechnik
Von grundlegender Bedeutung für die Partikel- und Umwelttechnologie ist die Kennzeichnung der Dispersitätseigenschaften von Partikeln. Deren Größe, Form oder Bewegungsverhalten spielt im technologischen Prozeß, bei der Qualitätskontrolle oder der Emissionsüberwachung eine entscheidende Rolle. Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist wichtig für das Verständnis des Verhaltens von Partikelsystemen im Prozeß sowie deren Gebrauchs- und Verarbeitungs-eigenschaften oder ihre Wirkung auf Mensch und Umwelt. Im Vorfeld der Messungen werden der Probenahme und der Probenpräparation besondere Bedeutung zugemessen. Es existieren umfangreiche Erfahrungen mit Produkten aus vielen Industriezweigen.
Es steht eine breite Palette von Meßverfahren zur Verfügung:

Siebverfahren: Vibrationssiebung Naßsiebung Luftstrahlsiebung Ultraschallsiebung	optische Verfahren: Laserbeugung Laser-Streulicht Weißlicht-Extinktion Bildauswertung
Sedimentationsverfahren: Sedimentationswaage Röntgensedimentometer	integrale Methoden: BET-Oberfläche Pyknometrie Hg-Porosimetrie
Sichtverfahren: Bahco-Sichter Kaskadenimpaktor

Professur: Reaktionstechnik

Stand theoretischer Arbeiten
 

•	Weiterentwicklung eines Programmsystems zur Parameterschätzung in partiellen Differentialgleichungssystemen mit Berechnung von Konfidenzbereichen.
•	Weiterentwicklung eines Simulationsprogrammes zur Rohrreaktorberechnung auf Grundlage der quasihomogenen Betrachtungsweise unter Berücksichtigung wahlweise verschalteter Reaktorsegmente. Erstmalig können mit diesem Programm simultan - dynamische Prozeßabläufe, - der Einfluß der axialen und radialen Dispersion, - unterschiedliche Anfangs- und Randbedingungen sowie - der Einfluss der Temperierung in unterschiedlichen Ausführungen berücksichtigt werden.
•	Weiterentwicklung eines heterogenen Modells zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Gas-Feststoffschüttungen in Rohrreaktoren bei unterschiedlicher Aufheizung der Reaktorwand ohne Reaktion.

Anwendungen
 

•	Modellstudien zum Einfluss konstruktiver Elemente auf das instationäre Verhalten von modularen Versuchsreaktoren (Beispiele o-Xyloloxidation und CO-Oxidation).
•	Günstige Aufheizstrategien zur Anwendung der quasihomogenen Betrachtungsweise bei der Auswertung instationärer Versuche zum Wärmetransport in Kugel- und Hohlzylinderschüttungen.
•	Parameterschätzung in mathematischen Modellen zum radialen Wärmetransport in Festbettrohrreaktoren mit Reaktion.

Stand der experimentellen Arbeiten
 

•	In den Laborversuchsanlagen wurden die Untersuchungen zur Charakterisierung der Varianten - Hubkolbenreaktor, - Turboreaktor, - Mehrschichtreaktor, - Minimalraumreaktor, - Treibstrahlreaktor, - Turboreaktoren (ein- und dreistufung) unter fluiddynamischen und reaktionskinetischen Aspekten (o-Xyloloxidation) abgeschlossen.
•	In einer Laborapparatur wurden Untersuchungen zum Wärmetransport in Schüttschichten für die Rohrdurchmesser 15, 25, 32 und 51 mm bei unterschiedlichen Luftdurchsätzen für zwei Partikelgeometrien abgeschlossen.
•	Im Technikumsmaßstab wurden Versuche in einer neuen Kombinationsreaktoranlage für die o-Xyloloxidation durchgeführt.

Stand der Versuchsreaktorentwicklungsarbeiten

Die Neuentwicklung eines modularen Differential-Kreislaufreaktors und die Weiterentwicklung modularer Integralreaktoren wurden abgeschlossen. Referenzmuster wurden gefertigt.

Weitere Informationen zu Institut für Verfahrenstechnik :

• Projekte (aus Landesforschungsdatenbank)
• Veröffentlichungen
• Abgeschlossene Promotions- und Habilitationsverfahren

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